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抛丸处理对Al-Mg-Si合金AA6061的纯疲劳和微动疲劳行为的影响
原作者：NK Ramakrishna Naidu，S.Ganesh Sundara Raman
翻 译：张勇（机械1402班）
摘要
目前的工作描述了喷丸处理对Al-Mg-Si合金AA6061的纯疲劳（无微动磨损）和微动疲劳行为的影响。抛丸清理显着提高了平均疲劳寿命2.8倍，并且在169 MPa的最大循环应力（s最大）下使疲劳寿命提高2.4倍，但在更高的应力水平下，抛丸略微降低了平稳疲劳和微动疲劳生活。在最大循环应力为169 MPa时，喷丸条件下的摩擦系数稳定值低于T6条件下的（0.55对0.60），但最大循环应力为265 MPa时，其摩擦系数在0.82左右。
关键词：疲劳; 微动疲劳; 抛丸; 铝合金; 摩擦系数
1.介绍
微动是一种小振幅的振动相对滑动运动，其可能发生在两个接触表面之间，这两个接触表面在名义上相对于彼此静止，受到振动或循环载荷。微动疲劳是微动和疲劳的综合作用。微动大大加速了疲劳裂纹萌生过程。磨损和疲劳的共同作用可能产生更大的强度降低因子。有许多表面改性方法用于缓解微动损伤。然而，改善微动疲劳抗力的因素却大不相同。五个主要因素增强微动疲劳抗力的五个主要因素可以概括为：（a）诱导压缩残余应力;（b）降低摩擦系数;（c）增加硬度（以防止粘附并增加耐磨损性）;（d）增加表面粗糙度;（e）改变表面化学。
在材料表面引发压缩残余应力，是改善疲劳寿命的最广泛使用的表面工程技术之一。喷丸处理是诱导残余压应力的最佳方法之一。残余表面压应力通过减小施加的拉应力峰值来降低传播疲劳裂纹的可能性。表面上的局部塑性流动导致喷丸过程，导致表面的加工硬化，表面的粗糙化以及压缩残余应力的产生。所有这些因素都可能会影响材料的平稳疲劳（无微动）和微动疲劳性能。
喷丸强化表面应力有助于微动疲劳以及平稳疲劳。但是，在微动疲劳中，还有两个优点。据报道，在喷丸硬化条件下，微动疲劳试验中测得的摩擦系数低于喷丸硬化条件下的摩擦系数，喷丸强化产生的粗糙表面有利于提高微动疲劳寿命。在表面粗糙的情况下，真实的表面接触区域被分解成小的不连续区域，因此受到微动作用的材料体积都大大减少，从而减少了发起破解的可能性.
在不同的材料中，例如钢，Al，Mg和Ti合金，已经报道了由喷丸强化引起的微动疲劳强度的改进。据报道，在室温和773 K条件下，喷丸硬化处理将汽轮机钢的微动疲劳强度提高了1.8倍。喷丸强化即使在高温下长期实际使用也是有效的。 Kondoh等人已经研究了广泛的喷丸清理（WPC）处理对AA6061-T6材料的微动疲劳强度的影响。在WPC处理中，将钢球在测试材料上拍摄30秒，然后使用陶瓷球拍摄30秒。 WPC处理将微动疲劳强度的值从50增加到70MPa。林德利和尼克斯报道说，在AA2014铝合金中，抗微动疲劳最有效的单一姑息治疗是玻璃珠喷丸，它引入了表面压缩残余应力并抑制了小微动裂纹的生长。
抛丸是在等离子喷涂之前获得粗糙表面的最常用处理之一，以确保涂层和基材之间的强力机械结合。虽然有意采用喷丸强化来提高材料的疲劳强度/寿命，但喷丸仅用于制备待涂覆表面。在目前的工作中，已经尝试研究喷丸处理对Al-Mg-Si合金AA6061的平面疲劳（无微动磨损）和微动疲劳行为的影响。
2.实验细节
2.1材料，试样设计和抛丸
本研究中使用的材料AA6061的化学成分在英文中给出表格1（取自参考文献。[12]）。 使用厚度为65毫米，宽度为10毫米的8.3毫米厚试样进行普通疲劳和微动疲劳试验（图。1）。 该合金经固溶处理
在540°C下1 h，水淬至室温，随后在160°C老化12 h。 这种热处理将被称为T6条件。 在T6条件下，材料的室温机械性能在以下给出表2（取自参考文献。[12]).
在一些试样上进行抛丸，使用尺寸为120mm的氧化铝研磨剂的球形球
表格1 所用材料的化学成分（wt％）[12]
|
镁 |
硅 |
铁 |
锰 |
铬 |
铜 |
锌 |
钛 |
|
|
0.63 |
0.55 |
0.21 |
0.30 |
0.25 |
0.31 |
0.25 |
0.15 |
（在T6条件下）厚度侧，在微动疲劳试验期间引起微动磨损。喷丸清理的细节是：距离100毫米，平均爆破压力0.4毫米，爆破时间100秒，覆盖率100％（覆盖面积是喷砂表面积的比例），喷嘴保持垂直于喷砂表面。可以注意到，用于在等离子喷涂之前获得粗糙表面的正常喷砂压力是0.245MPa。 然而，为了获得更高的残余压应力，本研究中爆破压力增加到0.4 MPa。 基于不同爆破持续时间的许多抛丸试验来选择100s的爆破时间。通过采用Cu K\辐射的X射线衍射技术将由喷丸引起的残余压应力的大小确定为110MPa。如果使用玻璃珠或钢丸，残余应力值会更高。但是，决定只研究目前调查中的抛丸效果。
2.2微动疲劳试验装配
设计和制造了一个可以模拟微动疲劳状况的实验设备，带有环形测力传感器和桥式微动磨垫。 微动垫由T6条件下的相同测试材料AA6061合金制成。图2显示了微动疲劳测试组件和微动磨损垫组件的示意图。图3显示了本研究中使用的测试组件的照片。
用于在微动疲劳试验中施加接触载荷的测试环（测力传感器）在环的相对侧（内表面上两个，外表面上两个）上粘贴应变仪。为了进行校准，在Schenck伺服液压试验机上加载环（通过负载调节螺钉的轴线），并通过应变放大器和数据采集系统（HBM-Spider8- 600赫兹和catman Express 4.0软件）。然后绘制负载与环形应变的校准曲线，并使用斜率来确定接触（正常）负载。 图中显示了桥式微动垫图2（b）所示，垫片跨度为30毫米，通过如图所示的检验环夹在试样上图3。 通过将应变计结合到微动垫的下侧来测量微动垫和样品之间的摩擦力，其中应变计栅格居中在垫脚之间。 拆分标本技术[13] 被用来校准微动垫。
2.3测试程序
平面疲劳和微动疲劳试验在室温下在Schenck伺服液压机上在实验室空气（约60-70％相对湿度）下进行
图1.试样设计（不按比例;所有尺寸均以毫米为单位）
在不同的循环应力幅值下，应力比为0.1表3）。对于简单的疲劳试验，循环频率为30赫兹，微动疲劳试验为10赫兹。在微动疲劳试验中使用100MPa的恒定接触压力。 在微动疲劳测试过程中，记录摩擦力值，在数据采集系统的帮助下，在整个测试过程中监测并保持由试验环施加的接触载荷并保持恒定。 在低倍镜下观察测试样本中的微动疤痕区域并拍摄照片。磨损疤痕的粗糙度轮廓是使用一个测量仪获得的。 用扫描电子显微镜观察试样的微动疤痕和断裂表面
3.结果与讨论
图4显示了与简单疲劳（PF）和微动疲劳（FF）测试相对应的结果。由于测试是在0.1的应力比下进行的，因此不同测试的平均应力（s意思）值是不同的表3）。国王和林德利[14] 已经表明平均应力对微动疲劳强度的影响比对普通疲劳强度的影响更大。 据报道，将平均应力从0提高到300 MPa可使低合金转子钢的平面疲劳强度降低27％，而微动疲劳则降低60％。 在本研究中，由于所使用的平均应力在93-146MPa范围内，因此假设平均应力的影响不会非常显著。
与平原疲劳寿命（N\川疲劳）相比，微动疲劳寿命（N\微动疲劳）更短。疲劳寿命由于在较低的循环应力水平下更大程度地磨损而降低。在最大循环应力（s最大）为169 MPa时，T6条件下的试样的寿命缩短因子（定义为Nf平滑疲劳/ Nf微动疲劳）为4.0，喷丸条件下的试样为4.6。由于微动起着严重的裂缝作用并且由于裂纹萌生占据了整个寿命的主要部分，因此微震对疲劳寿命的影响预计在较低的应力下可能更大。
图2.（a）微动疲劳试验装配。
（b）微动垫组件。
图3.本研究中使用的测试组件的照片
在低应力水平下的平稳疲劳和微动疲劳测试中，抛丸对提高寿命的有益效果是明显的。 在普通疲劳载荷情况下抛丸的寿命改善因素为2.8，而微动疲劳载荷情况下为2.4，最大周应力为169 MPa。 随着循环应力增加，有益效果下降。在最高265兆帕的最大循环应力下，喷丸的效果在平面疲劳和微动疲劳载荷条件下都是有害的。
喷丸对平稳疲劳寿命的影响可以解释如下：预计喷丸会在表面上产生与喷丸硬化局部塑性流动相似的效果，从而导致加工硬化，粗糙化和压缩残余应力的产生。 所有这些影响都会影响疲劳寿命。在低循环应力下，压缩残余应力和加工硬化的有利影响可能被期望占据表面粗糙的有害影响，从而导致寿命提高。随着循环应力的增加，残余应力将迅速放松，寿命增加的程度将会降低。 在特定的应力水平下，残余应力和加工硬化的影响将平衡表面粗糙化的影响。
因此，抛丸对疲劳寿命没有任何影响。 但是，在这个应力水平之上，粗糙化和/或表面裂纹的不利影响将占主导地位，导致寿命缩短[15].
喷丸处理对微动疲劳寿命的影响可以根据摩擦系数（Z摩擦力/法向载荷）的值以及残余应力，加工硬化和表面粗糙度的影响来解释（参见图 5和6).
图4.抛丸对平原疲劳（PF）和
微动疲劳（FF）寿命的影响。
图5显示了在T6和喷丸条件下，不同循环应力水平下微动摩擦系数（m）与微动周期数的变化。认为摩擦力是由表面凹凸的直接互锁或通过在表面凹凸之间俘获氧化物碎屑而产生的。摩擦系数在微动疲劳寿命的早期阶段（低于3000次循环）迅速增加，然后在剩余寿命期间几乎保持不变。Rayaprolu和库克[13] 对这种行为给出了解释。在恒定振幅加载条件下，存在与接触体之间的毛滑移相关的初始“铺入”阶段。磨合期由摩擦力大小的逐渐增加和宏观滑移程度的降低组成。 在宏观滑移条件下，较大的接触粗糙度被磨损导致粗糙接触面积增加，这促进了微滑移条件。在铺垫过程结束时，在微滑移条件下，达到了一个点，整个摩擦载荷只引起弹性变形接触粗糙。从这点开始，在整个剩余的微动疲劳周期中出现相对恒定的摩擦力值。
图6 显示了最大循环应力下稳定的m值的变化。在剧情中交叉应力。Lindley和Nix对于喷丸的情况也有类似的评论[11] 。
图7（a） - （d）显示了T6条件下测试品上微动疤痕的外观以及对应于两种不同循环应力的喷丸条件。 可以观察到，高应力水平下的微动损伤宽度大于低应力水平下的微动损伤宽度。 很明显，在喷丸条件下引起的微动损伤的程度比T6条件下的小。这种效应可能是由于表面粗糙度增加，由于表面的加工硬化而增加的硬度以及表面的非粘附性。在标本的微动疤痕区域采取的粗糙度轮廓显示在
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